1、半導(dǎo)體器件原理半導(dǎo)體器件原理第七章第七章 光器件光器件Optical Devices半導(dǎo)體光電器件半導(dǎo)體光電器件 前面討論了用于放大或者轉(zhuǎn)換前面討論了用于放大或者轉(zhuǎn)換電信號電信號的晶體管的基本的晶體管的基本物理結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體同樣可以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出物理結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體同樣可以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出探測和產(chǎn)生光探測和產(chǎn)生光信號的器件信號的器件。l光電二極管：光電二極管： 把光子能量轉(zhuǎn)換為電能，目的是把光子能量轉(zhuǎn)換為電能，目的是探測或探測或獲取光信息獲取光信息。l太陽能電池：太陽能電池： 把把光子能量轉(zhuǎn)換為電能光子能量轉(zhuǎn)換為電能，目的是產(chǎn)生電，目的是產(chǎn)生電能。能。l發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）： 光子發(fā)射是由于電

2、子從導(dǎo)帶向光子發(fā)射是由于電子從導(dǎo)帶向價(jià)帶的自發(fā)躍遷，導(dǎo)致很寬的光譜輸出帶寬。價(jià)帶的自發(fā)躍遷，導(dǎo)致很寬的光譜輸出帶寬。l激光二極管激光二極管：改進(jìn)的：改進(jìn)的LED，帶寬很窄且光子輸出連續(xù)，帶寬很窄且光子輸出連續(xù)把電能轉(zhuǎn)換為光能把電能轉(zhuǎn)換為光能第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光學(xué)吸收光學(xué)吸收7.2 7.2 太陽能電池太陽能電池7.3 7.3 光電探測器光電探測器7.4 7.4 光致發(fā)光和電致發(fā)光光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5 7.5 發(fā)光二極管發(fā)光二極管7.6 7.6 激光二極管激光二極管* * l光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光光具有波粒二象性，表明光波能被看成粒子，即光子。子

3、。l光子的波長和能量具有如下關(guān)系：光子的波長和能量具有如下關(guān)系：mEEhchhcc 24. 1 能量能量動(dòng)量動(dòng)量頻率頻率波長波長hE 1hP PcE c7.1 7.1 光學(xué)吸收光學(xué)吸收l幾種可能的光電半導(dǎo)體的作用機(jī)理：幾種可能的光電半導(dǎo)體的作用機(jī)理：u光子和晶格作用，將能量轉(zhuǎn)換為焦耳熱；光子和晶格作用，將能量轉(zhuǎn)換為焦耳熱；u光子與雜質(zhì)、施主或者受主作用；光子與雜質(zhì)、施主或者受主作用；u與半導(dǎo)體內(nèi)部缺陷作用；與半導(dǎo)體內(nèi)部缺陷作用；u最容易與價(jià)電子作用，釋放出的能量足夠?qū)㈦娮钊菀着c價(jià)電子作用，釋放出的能量足夠?qū)㈦娮蛹ぐl(fā)到導(dǎo)帶。這樣就產(chǎn)生了電子子激發(fā)到導(dǎo)帶。這樣就產(chǎn)生了電子-空穴對，形空穴對，形成過

4、剩載流子濃度。成過剩載流子濃度。7.17.1.1 .1 光子吸收系數(shù)光子吸收系數(shù)l當(dāng)一定波長的光照射半當(dāng)一定波長的光照射半導(dǎo)體時(shí)，若導(dǎo)體時(shí)，若 Eg則則價(jià)帶電子吸收光子躍遷價(jià)帶電子吸收光子躍遷到導(dǎo)帶。這種電子由帶到導(dǎo)帶。這種電子由帶與帶之間的躍遷所形成與帶之間的躍遷所形成的吸收過程，稱為本征的吸收過程，稱為本征吸收。吸收。l本征吸收發(fā)生的條件：本征吸收發(fā)生的條件：hhg00Echhh 0gEh00gh cE07.1 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收7 7.1.1.1 1 光子吸收系數(shù)光子吸收系數(shù))()( gEh gEh gEh hdxx)(xIdxxIxdI)()( )()(xIdxxdI xeI

5、xI )0()(若若E=hEg，光子能和價(jià)電子作用，把電子激發(fā)到導(dǎo)帶。，光子能和價(jià)電子作用，把電子激發(fā)到導(dǎo)帶。光流強(qiáng)度光流強(qiáng)度I(x) 推導(dǎo)推導(dǎo)(是吸收系數(shù)）是吸收系數(shù)）不同長度的光吸收不同長度的光吸收稱為吸收系數(shù)，單位稱為吸收系數(shù)，單位cm-1x)(xI)0( I 大大 小小p光流強(qiáng)度隨深入半導(dǎo)體材料光流強(qiáng)度隨深入半導(dǎo)體材料的距離指數(shù)衰減。的距離指數(shù)衰減。p吸收系數(shù)大，光的吸收實(shí)際吸收系數(shù)大，光的吸收實(shí)際上集中在很薄的表面層內(nèi)。上集中在很薄的表面層內(nèi)。兩種不同吸收系數(shù)的兩種不同吸收系數(shù)的光強(qiáng)度與距離關(guān)系光強(qiáng)度與距離關(guān)系l半導(dǎo)體的吸收系數(shù)是半導(dǎo)體的吸收系數(shù)是光能和禁帶寬度的函光能和禁帶寬度的函

6、數(shù)。數(shù)。幾種不同波長的半導(dǎo)體幾種不同波長的半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)與波材料的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系。長的關(guān)系。l若若hEg，不同半導(dǎo)體材料的吸收限：不同半導(dǎo)體材料的吸收限：meVInGaAs 75. 1/71. 0meVSiC 41. 0 3Eg 0 meVGeSi 4 . 1/89. 0光波長范圍（大氣窗口）：光波長范圍（大氣窗口）：nmnm780093 可見光：可見光：mm 31 近紅外：近紅外：mm 53 中紅外：中紅外：mm 148 遠(yuǎn)紅外：遠(yuǎn)紅外：nmnm390300 紫外光：紫外光：7.1.1 光子吸收系數(shù)Si Eg=1.12eV 0=1.1mGe Eg=0.66eV 0=1.88m G

7、aAs Eg=1.43eV 0=0.867m CdS Eg=2.42eV 0=0.513m從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖7 7.1.1.1 1 光子吸收系數(shù)光子吸收系數(shù)假設(shè)半導(dǎo)體被一光子能量假設(shè)半導(dǎo)體被一光子能量h h大于禁帶寬度的光大于禁帶寬度的光源源均勻均勻照射。照射。光譜與波長和禁帶寬度之間的關(guān)系光譜與波長和禁帶寬度之間的關(guān)系7.1 半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收硅和砷化鎵硅和砷化鎵可以完全吸可以完全吸收可見光收可見光1、單位體積吸收的能量：、單位體積吸收的能量：)()(xIxE 2、電子、電子-空穴對的產(chǎn)生率：空穴對的產(chǎn)生率： hxIxg)()( 3、過剩載流子

8、濃度：、過剩載流子濃度：nxgn )( )(xI 單位體積7.1.2 電子電子-空穴對的產(chǎn)生率空穴對的產(chǎn)生率光能大于光能大于Eg時(shí)，光子能夠被半導(dǎo)體吸收，從而產(chǎn)生電時(shí)，光子能夠被半導(dǎo)體吸收，從而產(chǎn)生電子子-空穴對空穴對第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光學(xué)吸收光學(xué)吸收7.2 7.2 太陽能電池太陽能電池7.3 7.3 光電探測器光電探測器7.4 7.4 光致發(fā)光和電致發(fā)光光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5 7.5 發(fā)光二極管發(fā)光二極管7.6 7.6 激光二極管激光二極管* * 7.2 太陽能電池太陽能電池 pn結(jié)太陽能電池結(jié)太陽能電池即使施加即使施加0偏壓，在空間電荷偏壓，在空間電荷區(qū)也存在電

9、場。入射光照射區(qū)也存在電場。入射光照射能夠在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子能夠在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，它們將被掃到結(jié)兩空穴對，它們將被掃到結(jié)兩邊，形成相反方向的光電流邊，形成相反方向的光電流IL。帶有負(fù)載的帶有負(fù)載的pn結(jié)太陽能電池結(jié)太陽能電池 太陽能電池是一種在太陽能電池是一種在pn結(jié)處沒有施加電壓的半導(dǎo)體結(jié)處沒有施加電壓的半導(dǎo)體器件器件P-NP-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng) a 無光照平衡無光照平衡PN結(jié)結(jié)b 光照光照PN結(jié)開路狀態(tài)結(jié)開路狀態(tài)c 光照光照PN結(jié)短路狀態(tài)結(jié)短路狀態(tài)d 光照光照PN結(jié)有串聯(lián)電阻結(jié)有串聯(lián)電阻u光生電流的方向相當(dāng)于普通二級管光生電流的方向相當(dāng)于普通二級管反向電流方向

10、。反向電流方向。u光照使光照使PN結(jié)勢壘降低，等效于結(jié)勢壘降低，等效于PN結(jié)外加正向偏壓，同樣能引起結(jié)外加正向偏壓，同樣能引起P區(qū)空區(qū)空穴和穴和N區(qū)電子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散，形成正區(qū)電子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散，形成正向注入電流。此電流與光生電流相反，向注入電流。此電流與光生電流相反，對電池不利，應(yīng)使之減小。對電池不利，應(yīng)使之減小。PN 結(jié)為例，分析光電轉(zhuǎn)換的物理過程結(jié)為例，分析光電轉(zhuǎn)換的物理過程理想硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率：理想硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率：%28(max) Si 實(shí)際硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率：實(shí)際硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率：%15%10 Si 轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 影響因素：串聯(lián)電阻、表面反射影響因素：串聯(lián)電阻

11、、表面反射改進(jìn)方法：聚光（增大短路電流）改進(jìn)方法：聚光（增大短路電流）%36(max) GaAs 砷化鎵太陽能電池：砷化鎵太陽能電池： 注意：注意：串聯(lián)電阻與光透過率是串聯(lián)電阻與光透過率是矛盾的矛盾的表面減反和納米結(jié)構(gòu)可表面減反和納米結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)光吸收以增強(qiáng)光吸收大的光學(xué)透鏡可用來將太陽光集中到太陽能電池上，使光照大的光學(xué)透鏡可用來將太陽光集中到太陽能電池上，使光照強(qiáng)度提高幾百倍。短路電流隨光照強(qiáng)度線性增加，開路電壓強(qiáng)度提高幾百倍。短路電流隨光照強(qiáng)度線性增加，開路電壓僅隨光強(qiáng)呈對數(shù)增大。僅隨光強(qiáng)呈對數(shù)增大。串聯(lián)電阻與復(fù)合電流串聯(lián)電阻與復(fù)合電流影響電池效率的因素影響電池效率的因素具有串聯(lián)電阻的太

12、陽電池的電流具有串聯(lián)電阻的太陽電池的電流電壓特性與等效電路電壓特性與等效電路l提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率的因素：提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率的因素：最大功率考慮：選用合適最大功率考慮：選用合適Eg的半導(dǎo)體材料；的半導(dǎo)體材料；光譜考慮；光譜考慮；串聯(lián)電阻與分流電阻的考慮：采用柵格接觸形式，串聯(lián)電阻與分流電阻的考慮：采用柵格接觸形式，這種結(jié)構(gòu)能夠有大的曝光面積，而同時(shí)又使串聯(lián)電這種結(jié)構(gòu)能夠有大的曝光面積，而同時(shí)又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值；阻保持合理的數(shù)值；表面反射考慮：采用抗反射層；表面反射考慮：采用抗反射層；聚光考慮：聚光是用聚光器面積代替許多太陽能電聚光考慮：聚光是用聚光器面積代替許多太陽能電池的面積，

13、從而降低太陽能電池造價(jià)，它的另一個(gè)池的面積，從而降低太陽能電池造價(jià)，它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加效率。優(yōu)點(diǎn)是增加效率。 異質(zhì)結(jié)太陽能電池異質(zhì)結(jié)太陽能電池 優(yōu)點(diǎn)：雙能隙，光譜范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高優(yōu)點(diǎn)：雙能隙，光譜范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高cEvEFE1gE2gEhAlGaAspGaAspGaAsnocV異質(zhì)結(jié)由兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)由兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體形成熱平衡時(shí)熱平衡時(shí)pn異質(zhì)結(jié)能帶圖異質(zhì)結(jié)能帶圖7 7. .2 2. .4 4 非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池 材料：非晶態(tài)薄膜，大面積化學(xué)氣相沉積。材料：非晶態(tài)薄膜，大面積化學(xué)氣相沉積。 氫化：減少懸掛鍵，提高載流子遷移率。氫化：減少懸掛鍵，提

14、高載流子遷移率。帶隙帶隙狀態(tài)狀態(tài)導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶cEvEE狀態(tài)密度狀態(tài)密度N(E)eV7 . 1典典型型值值氫化非晶硅氫化非晶硅單晶硅太陽能電池很昂貴，且直徑限制在單晶硅太陽能電池很昂貴，且直徑限制在6英才左右。一般英才左右。一般太陽能電池供電系統(tǒng)需要一個(gè)大面積的電池組。太陽能電池供電系統(tǒng)需要一個(gè)大面積的電池組。非晶硅狀態(tài)密度與能量關(guān)系非晶硅狀態(tài)密度與能量關(guān)系cEvEFEcEvEFEocVhnpi銦錫銦錫氧化層氧化層玻璃玻璃非晶硅具有很高的光學(xué)吸收系數(shù)，大多數(shù)太陽光能在表面非晶硅具有很高的光學(xué)吸收系數(shù)，大多數(shù)太陽光能在表面1微米處被吸收。因此，太陽能電池只需要非常薄的一層非微米處被吸收。因此，

15、太陽能電池只需要非常薄的一層非晶硅。典型非晶硅太陽電池是一個(gè)晶硅。典型非晶硅太陽電池是一個(gè)pin器件。器件。非晶硅被沉積非晶硅被沉積到一個(gè)光學(xué)透到一個(gè)光學(xué)透明的銦錫氧化明的銦錫氧化層玻璃襯底上層玻璃襯底上熱平衡時(shí)的能帶圖熱平衡時(shí)的能帶圖在光照射下，非晶硅在光照射下，非晶硅PIN太陽能電池的能帶圖太陽能電池的能帶圖在本征區(qū)產(chǎn)生的過剩載流子在在本征區(qū)產(chǎn)生的過剩載流子在電場作用下形成光電流電場作用下形成光電流第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光學(xué)吸收光學(xué)吸收7.2 7.2 太陽能電池太陽能電池7.3 7.3 光電探測器光電探測器7.4 7.4 光致發(fā)光和電致發(fā)光光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5 7

16、.5 發(fā)光二極管發(fā)光二極管7.6 7.6 激光二極管激光二極管* * l光電探測器可以探測光子的存在；光電探測器可以探測光子的存在；l把把光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號的半導(dǎo)體器件；的半導(dǎo)體器件；l當(dāng)過剩電子和空穴在半導(dǎo)體中產(chǎn)生時(shí)，材料的當(dāng)過剩電子和空穴在半導(dǎo)體中產(chǎn)生時(shí)，材料的導(dǎo)電率就會(huì)增加；導(dǎo)電率就會(huì)增加；l導(dǎo)電率的變化是光電探測器的基礎(chǔ)。導(dǎo)電率的變化是光電探測器的基礎(chǔ)。 平衡電導(dǎo)率：平衡電導(dǎo)率：V L面積面積A)(000pnepn 非平衡電導(dǎo)率（半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生非平衡電導(dǎo)率（半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生 過剩載流子）：過剩載流子）：)()(00ppnnepn 光電導(dǎo)率（電導(dǎo)率的變化量）：光電導(dǎo)率（電

17、導(dǎo)率的變化量）：pepn )(0 光電電流：光電電流：AEGeAEAJIpLpnLL )( h7.3.1 7.3.1 光電導(dǎo)體光電導(dǎo)體兩端具有歐姆接觸兩端具有歐姆接觸的半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料V產(chǎn)生產(chǎn)生AEGeIpLpnL)(h電子電子漂移漂移時(shí)間時(shí)間ELtnnALteGInpnpLL)1( 光電導(dǎo)增益：光電導(dǎo)增益：)1(npnpLLphtALeGI 電荷收集速率與電荷電荷收集速率與電荷產(chǎn)生速率的比值產(chǎn)生速率的比值收集收集收集收集7.3.1 7.3.1 光電導(dǎo)體光電導(dǎo)體 工作于工作于反向偏置下反向偏置下的的pn結(jié)或金屬結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸7.3.2 光電二極管光電二極管光電二極管工作原

18、理：光照反偏光電二極管工作原理：光照反偏PN結(jié)，產(chǎn)生的光結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場漂移形成反向電流。生載流子被空間電荷區(qū)電場漂移形成反向電流。光電二極管把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號。反向的光光電二極管把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強(qiáng)度和波長有關(guān)。光電二電流的大小與入射光的強(qiáng)度和波長有關(guān)。光電二極管用于探測光信號。極管用于探測光信號。光電二極管的光電二極管的I-V特性特性說明：光電流的方向是反偏方向，它比說明：光電流的方向是反偏方向，它比pn結(jié)二極結(jié)二極管的反向飽和電流大幾個(gè)數(shù)量級管的反向飽和電流大幾個(gè)數(shù)量級pn結(jié)光電二極管光譜響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性結(jié)光電二極管光譜響應(yīng)

19、特性和頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)在幾十頻率響應(yīng)在幾十MHz的范圍內(nèi)，因?yàn)閿U(kuò)散是相對較的范圍內(nèi)，因?yàn)閿U(kuò)散是相對較慢的過程。慢的過程。7.3.3 p-i-n光電二極管光電二極管l光電探測器中，探測器對隨時(shí)間變化的光信號的響光電探測器中，探測器對隨時(shí)間變化的光信號的響應(yīng)速度很重要，在應(yīng)速度很重要，在空間耗盡層中產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流空間耗盡層中產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流才是感興趣的光電流，為增加光電探測器的靈敏才是感興趣的光電流，為增加光電探測器的靈敏度，耗盡區(qū)的寬度應(yīng)該做的比較寬。度，耗盡區(qū)的寬度應(yīng)該做的比較寬。p-i-n光電二光電二極管就是為滿足這個(gè)要求而設(shè)計(jì)的。極管就是為滿足這個(gè)要求而設(shè)計(jì)的。lPIN光電二極管是光

20、電二極管是最常用的光電二極管，其耗盡區(qū)最常用的光電二極管，其耗盡區(qū)寬度可調(diào)制，優(yōu)化量子效率和頻率響應(yīng)。寬度可調(diào)制，優(yōu)化量子效率和頻率響應(yīng)。p-i-n 光電二極管的截面圖光電二極管的截面圖p-i-n 光電二極管反偏狀態(tài)下的光電二極管反偏狀態(tài)下的能帶圖和光子產(chǎn)生過程能帶圖和光子產(chǎn)生過程（1）頂部的）頂部的p+區(qū)很薄區(qū)很薄，使光吸收最小，使光吸收最小（2）i區(qū)摻雜很小區(qū)摻雜很小，寬度經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，以獲，寬度經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，以獲 得所需得所需 要的特征響應(yīng)。如寬度等于待測波長的吸收要的特征響應(yīng)。如寬度等于待測波長的吸收 系數(shù)系數(shù) 的倒數(shù)，就能在這一波長下獲得最大響應(yīng)的倒數(shù)，就能在這一波長下獲得最大響應(yīng)（

21、3）p+,n+區(qū)的耗盡層寬度基本可忽略，區(qū)的耗盡層寬度基本可忽略，i層是全耗盡層是全耗盡 的。大部分的光生載流子是由中間耗盡區(qū)產(chǎn)生的的。大部分的光生載流子是由中間耗盡區(qū)產(chǎn)生的 載流子組成。載流子組成。（4）i區(qū)摻雜很低，電場可近似看作參數(shù)，電勢和電勢區(qū)摻雜很低，電場可近似看作參數(shù)，電勢和電勢 能是位置的線性函數(shù)。能是位置的線性函數(shù)。（5）頻率響應(yīng)特性：）頻率響應(yīng)特性： 耗盡層寬度耗盡層寬度Wi,飽和漂移速度飽和漂移速度vsat=107m/s, 光生載流子渡越耗盡區(qū)的時(shí)間光生載流子渡越耗盡區(qū)的時(shí)間t=Wi/vsat 響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率f =1/t =vsat/Wi （a） 反偏反偏PIN光電二極管

22、光電二極管 （b） 非均勻光子非均勻光子吸收的幾何形狀吸收的幾何形狀p p-i-n光電二極管比普通光電二極管比普通pn結(jié)光電二極管的瞬時(shí)結(jié)光電二極管的瞬時(shí)光電流大很多，并具有優(yōu)良的頻率響應(yīng)特性光電流大很多，并具有優(yōu)良的頻率響應(yīng)特性,在在光光纖通訊領(lǐng)域纖通訊領(lǐng)域中采用最多。中采用最多。 p 半導(dǎo)體材料的響應(yīng)截止波長半導(dǎo)體材料的響應(yīng)截止波長 G=1.24/EG，不同的，不同的材料可做不同波段的光電二極管。材料可做不同波段的光電二極管。 Si的禁帶寬度的禁帶寬度1.12eV,響應(yīng)截止波長響應(yīng)截止波長1.1 m；-族化合物常族化合物常用來做光電二極管。用來做光電二極管。 -族化合物的能帶寬度和晶格常數(shù)

23、關(guān)系圖族化合物的能帶寬度和晶格常數(shù)關(guān)系圖InGaAs p-i-n光電二極管截面圖光電二極管截面圖1.3或或1.5 m的光電二的光電二極管極管InP( G=0.95 m) 窗口，窗口， 1.3或或1.5 m的光很容的光很容易通過窗口透射到易通過窗口透射到i層，層，緩沖層是使晶格匹配，緩沖層是使晶格匹配，減少減少i層中的缺陷。層中的缺陷。7.3.4 雪崩光電二極管雪崩光電二極管l與與pn結(jié)或結(jié)或pin光電二極管相似，只是它所加的反光電二極管相似，只是它所加的反偏電壓必須大到能引起碰撞電離。偏電壓必須大到能引起碰撞電離。l在耗盡區(qū)光生電子在耗盡區(qū)光生電子-空穴現(xiàn)在可以通過碰撞電離產(chǎn)空穴現(xiàn)在可以通過碰

24、撞電離產(chǎn)生電子生電子-空穴對，雪崩光電二極管的電流增益與雪空穴對，雪崩光電二極管的電流增益與雪崩倍增因子有關(guān)。崩倍增因子有關(guān)。l顯著的優(yōu)點(diǎn)顯著的優(yōu)點(diǎn): 在光信號的放大中使在光信號的放大中使信噪比得到了信噪比得到了改善改善。V npi電場0npi特點(diǎn)：特點(diǎn)：u反偏電壓足夠高，電子空穴可以產(chǎn)生雪崩倍增；反偏電壓足夠高，電子空穴可以產(chǎn)生雪崩倍增；u電流增益大，響應(yīng)頻率快。電流增益大，響應(yīng)頻率快。7.3.4 雪崩光電二極管雪崩光電二極管7.3.5 光電晶體管光電晶體管l雙極晶體管也可以用作光電探測器。雙極晶體管也可以用作光電探測器。特點(diǎn)：特點(diǎn)：u光電流得到放大；光電流得到放大；u響應(yīng)頻率降低（響應(yīng)頻率

25、降低（B-C結(jié)電容的彌勒效應(yīng)）；結(jié)電容的彌勒效應(yīng)）；u非雪崩放大，噪聲低。非雪崩放大，噪聲低。LEEIII ECII LCCIII LLCIII)1(1 電荷耦合器件電荷耦合器件lMOS型半導(dǎo)體器件，核心是型半導(dǎo)體器件，核心是MOS電容，密排電容，密排MOS二極管有序陣列，加上輸入與輸出部分就構(gòu)成了二極管有序陣列，加上輸入與輸出部分就構(gòu)成了CCD的基本結(jié)構(gòu)。的基本結(jié)構(gòu)。l電荷耦合器件可用做圖像傳感器電荷耦合器件可用做圖像傳感器,也可用做移位寄也可用做移位寄存器存器. 柵極柵極上施加適當(dāng)?shù)纳鲜┘舆m當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘脈沖電壓時(shí)鐘脈沖電壓，半導(dǎo)體表面耗盡，形成能存儲少子半導(dǎo)體表面耗盡，形成能存儲少子的勢阱，用

26、的勢阱，用光或電光或電方法把代表信號方法把代表信號的少子注入勢阱中，再通過時(shí)鐘脈的少子注入勢阱中，再通過時(shí)鐘脈沖的有規(guī)律變化，使勢阱深度發(fā)生沖的有規(guī)律變化，使勢阱深度發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使注入勢阱中的相應(yīng)的變化，從而使注入勢阱中的少子在半導(dǎo)體表面內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)，通少子在半導(dǎo)體表面內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)，通過對少子的收集得到信號的輸出。過對少子的收集得到信號的輸出。lCCD存儲和轉(zhuǎn)移電荷都是在非穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行。存儲和轉(zhuǎn)移電荷都是在非穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行。lCCD溝道內(nèi)的載流子僅由信號大小決定，與時(shí)鐘溝道內(nèi)的載流子僅由信號大小決定，與時(shí)鐘脈沖無關(guān)，脈沖無關(guān)， 時(shí)鐘脈沖只起存儲和轉(zhuǎn)移電荷作用。時(shí)鐘脈沖只起存儲和轉(zhuǎn)移電荷作

27、用。l通常有表面溝道通常有表面溝道CCD （SCCD) 和隱埋溝道和隱埋溝道CCD (BCCD)。表面溝道表面溝道 CCD：溝道：溝道在緊靠絕緣在緊靠絕緣層的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體表面表面表面溝道表面溝道 CCD 中，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘電壓脈沖作用下，少中，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘電壓脈沖作用下，少數(shù)載流數(shù)載流 子電荷包沿半導(dǎo)體表面運(yùn)動(dòng)。子電荷包沿半導(dǎo)體表面運(yùn)動(dòng)。埋溝埋溝 CCDl對于對于 SCCD，由于電荷包沿邊導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敚饕捎陔姾砂剡厡?dǎo)體表面?zhèn)鬏敚饕南拗剖潜淼南拗剖潜?面陷阱效應(yīng)導(dǎo)致的電荷損失。面陷阱效應(yīng)導(dǎo)致的電荷損失。l埋溝埋溝 CCD ：電荷包不在半導(dǎo)體表面流過，而是被：電荷包不在半導(dǎo)體表面流過

28、，而是被約束在緊貼半導(dǎo)體表面的溝道內(nèi)，具有消除界面陷約束在緊貼半導(dǎo)體表面的溝道內(nèi)，具有消除界面陷阱效應(yīng)的潛力。阱效應(yīng)的潛力。與襯底相反類型的與襯底相反類型的窄窄N型半導(dǎo)體層，型半導(dǎo)體層，在柵極加正電壓時(shí)，在柵極加正電壓時(shí)，窄窄n型層全部耗盡，型層全部耗盡，成為溝道。成為溝道。遷移率高，界面陷阱導(dǎo)致的電荷損失少。遷移率高，界面陷阱導(dǎo)致的電荷損失少。第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光學(xué)吸收光學(xué)吸收7.2 7.2 太陽能電池太陽能電池7.3 7.3 光電探測器光電探測器7.4 7.4 光致發(fā)光和電致發(fā)光光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5 7.5 發(fā)光二極管發(fā)光二極管7.6 7.6 激光二極管激光二

29、極管* * l光子吸收產(chǎn)生電子光子吸收產(chǎn)生電子-空穴對時(shí)，復(fù)合過程產(chǎn)生的光空穴對時(shí)，復(fù)合過程產(chǎn)生的光子發(fā)射稱為子發(fā)射稱為光致發(fā)光；光致發(fā)光；l電致發(fā)光電致發(fā)光是由于電流激發(fā)過剩載流子，從而發(fā)射光是由于電流激發(fā)過剩載流子，從而發(fā)射光子的過程。子的過程。 電子和空穴的產(chǎn)生與復(fù)合電子和空穴的產(chǎn)生與復(fù)合7.4光致發(fā)光和電致發(fā)光光致發(fā)光和電致發(fā)光7.4.1 基本躍遷基本躍遷l產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子-空穴對有很多可能的復(fù)合過程。空穴對有很多可能的復(fù)合過程。（a）直接復(fù)合）直接復(fù)合（b）R-G中心復(fù)合中心復(fù)合（d）直接產(chǎn)生）直接產(chǎn)生（e）R-G中心產(chǎn)生中心產(chǎn)生l在復(fù)合過程中電子多余的能量可以以發(fā)射光子的形在復(fù)合過

30、程中電子多余的能量可以以發(fā)射光子的形式釋放出來，這種復(fù)合稱為式釋放出來，這種復(fù)合稱為輻射復(fù)合輻射復(fù)合，它是光吸收，它是光吸收的逆過程。的逆過程。 l 在復(fù)合過程中電子的多余能量也可以以其它形式在復(fù)合過程中電子的多余能量也可以以其它形式釋放出來，而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為釋放出來，而不發(fā)射光子，這種復(fù)合稱為非輻射復(fù)非輻射復(fù)合合。 l 光電器件利用的是輻射復(fù)合過程，非輻射復(fù)合過光電器件利用的是輻射復(fù)合過程，非輻射復(fù)合過程則是不利的。了解半導(dǎo)體中輻射復(fù)合過程和非輻程則是不利的。了解半導(dǎo)體中輻射復(fù)合過程和非輻射復(fù)合過程是了解光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件射復(fù)合過程是了解光電器件的工作機(jī)制和進(jìn)行器件設(shè)計(jì)的

31、基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合輻射復(fù)合輻射復(fù)合帶間輻射復(fù)合帶間輻射復(fù)合 帶間輻射復(fù)合是導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價(jià)帶與帶間輻射復(fù)合是導(dǎo)帶中的電子直接躍遷到價(jià)帶與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。發(fā)射的光子的能量接近等于半價(jià)帶中的空穴復(fù)合。發(fā)射的光子的能量接近等于半 導(dǎo)體材料的禁帶寬度。導(dǎo)體材料的禁帶寬度。 由于半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的不同，帶間輻射復(fù)合由于半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的不同，帶間輻射復(fù)合又可以分為直接輻射復(fù)合和間接輻射復(fù)合兩種又可以分為直接輻射復(fù)合和間接輻射復(fù)合兩種:導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶帶間復(fù)合：（帶間復(fù)合：（a）直接能隙復(fù)合（）直接能隙復(fù)合（b）間接能隙復(fù)合）間接能隙

32、復(fù)合非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合多聲子過程多聲子過程多聲子躍遷多聲子躍遷 0125102050100200300400500600光子能量光子能量 （meV）(i)導(dǎo)帶電子躍遷到未電離導(dǎo)帶電子躍遷到未電離的受主能級的受主能級;(ii) 施主能級上的電子躍遷施主能級上的電子躍遷到價(jià)帶；到價(jià)帶；(iii) 施主能級上的電子躍遷施主能級上的電子躍遷到受主能級；到受主能級；(iv) 深能級中的復(fù)合深能級中的復(fù)合(a)直接復(fù)合直接復(fù)合(i) 禁帶寬度非常小禁帶寬度非常小的材料本征發(fā)射的材料本征發(fā)射;(ii) (iii)具有能量的電具有能量的電子和空穴。子和空穴。(c) 俄歇復(fù)合俄歇復(fù)合-非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合(i

33、)電子電子-空穴復(fù)合時(shí)伴隨著將能空穴復(fù)合時(shí)伴隨著將能量傳給其他自由空穴量傳給其他自由空穴;(ii)電子電子-空穴復(fù)合時(shí)伴隨著將空穴復(fù)合時(shí)伴隨著將能量傳給其他自由電子。能量傳給其他自由電子。uIII-V化合物半導(dǎo)體是制作發(fā)光器化合物半導(dǎo)體是制作發(fā)光器件的主要材料件的主要材料。可以通過控制三元。可以通過控制三元和四元化合物中不同組分的比例來和四元化合物中不同組分的比例來調(diào)節(jié)禁帶寬度和晶格常數(shù)。調(diào)節(jié)禁帶寬度和晶格常數(shù)。u可見光：波長可見光：波長0.4-0.72 m,帶隙帶隙1.7-3.1eV.uGaAs是直接帶隙半導(dǎo)體，是直接帶隙半導(dǎo)體，AlAs是是間接帶隙半導(dǎo)體，間接帶隙半導(dǎo)體，AlxGa1-xA

34、s的禁帶的禁帶寬度隨寬度隨x的變化而變化。的變化而變化。uEg=1.424+1.247x從直接從直接帶隙變帶隙變間接帶間接帶隙隙7.4.2 7.4.2 發(fā)光效率發(fā)光效率輻射復(fù)合只是所有復(fù)合中的一部分：輻射復(fù)合只是所有復(fù)合中的一部分：nrrrrqRRRRR 量子效率是輻射復(fù)合率與總復(fù)合率的比值：量子效率是輻射復(fù)合率與總復(fù)合率的比值：nrr 111 rnrnrrq 輻射復(fù)合對應(yīng)直接帶隙復(fù)合，輻射復(fù)合對應(yīng)直接帶隙復(fù)合， Rr是帶與帶間的輻射符合率，是帶與帶間的輻射符合率，B是比例常數(shù)：是比例常數(shù)：BnpRr 第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光學(xué)吸收光學(xué)吸收7.2 7.2 太陽能電池太陽能

35、電池7.3 7.3 光電探測器光電探測器7.4 7.4 光致發(fā)光和電致發(fā)光光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5 7.5 發(fā)光二極管發(fā)光二極管7.6 7.6 激光二極管激光二極管* * LEDLED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程的基本結(jié)構(gòu)和工作過程7.5 發(fā)光二極管發(fā)光二極管光電探測器和太陽能電池都可以把光能轉(zhuǎn)換成光電探測器和太陽能電池都可以把光能轉(zhuǎn)換成電能，即光子產(chǎn)生過剩電子和空穴，從而形成電能，即光子產(chǎn)生過剩電子和空穴，從而形成電流。電流。也可以給也可以給pn結(jié)加電壓形成電流，依次產(chǎn)生光子結(jié)加電壓形成電流，依次產(chǎn)生光子和光輸出，這種反轉(zhuǎn)機(jī)制稱為和光輸出，這種反轉(zhuǎn)機(jī)制稱為注入電致發(fā)光注入電致發(fā)光。5.5.1 5.5

36、.1 光的產(chǎn)生光的產(chǎn)生（1）正偏二極管）正偏二極管（2 2）二極管發(fā)光）二極管發(fā)光P區(qū)N區(qū) | | | | | | | + Va -EcEvEFiEFpEFnehI發(fā)光波長：發(fā)光波長：mEEhcgg 24. 1 發(fā)光光強(qiáng)：發(fā)光光強(qiáng)： 1exp)(kTeVIIIsD pn結(jié)二極管正向偏置結(jié)二極管正向偏置，導(dǎo)致，導(dǎo)致n區(qū)電子注入?yún)^(qū)電子注入p區(qū)一側(cè)區(qū)一側(cè)的準(zhǔn)中性區(qū)，的準(zhǔn)中性區(qū)，p區(qū)的空穴注入?yún)^(qū)的空穴注入n區(qū)一側(cè)的準(zhǔn)中性區(qū)一側(cè)的準(zhǔn)中性區(qū)，隨后這些注入的區(qū)，隨后這些注入的過剩少子在準(zhǔn)中性區(qū)擴(kuò)散并過剩少子在準(zhǔn)中性區(qū)擴(kuò)散并與多數(shù)載流子復(fù)合與多數(shù)載流子復(fù)合，如果這個(gè)復(fù)合是直接的帶與，如果這個(gè)復(fù)合是直接的帶與帶

37、間的復(fù)合，就有帶間的復(fù)合，就有光子發(fā)射光子發(fā)射。二極管的擴(kuò)散電流。二極管的擴(kuò)散電流是正比于復(fù)合率的，因此發(fā)射光子的強(qiáng)度也將正是正比于復(fù)合率的，因此發(fā)射光子的強(qiáng)度也將正比于理想二極管的擴(kuò)散電流。比于理想二極管的擴(kuò)散電流。 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程的基本結(jié)構(gòu)和工作過程 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程的基本結(jié)構(gòu)和工作過程 LEDLED的基本結(jié)構(gòu)和工作過程的基本結(jié)構(gòu)和工作過程 器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)Pn 結(jié)正向偏置，電子從結(jié)正向偏置，電子從n側(cè)注入，與從側(cè)注入，與從p側(cè)注入的空側(cè)注入的空穴復(fù)合。穴復(fù)合。雙異質(zhì)結(jié)中更高的載流子雙異質(zhì)結(jié)中更高的載流子濃度和載流子限定，輻射濃度和載流子限定，輻射效率顯著效率顯著 提

38、高。提高。LED的特性參數(shù)的特性參數(shù)V-I特性特性發(fā)光二極管的電流發(fā)光二極管的電流電壓特性和普通二極管大體一電壓特性和普通二極管大體一致致。發(fā)光二極管的發(fā)光二極管的開啟電壓很低開啟電壓很低, GaAs 是是1.0伏伏, GaP（紅（紅光）大約光）大約1.8伏，伏，GaP （綠光）大約（綠光）大約2.0伏。工作電伏。工作電流約為流約為10 mA 。工作電壓和工作電流低工作電壓和工作電流低，使得可以，使得可以把它們做的很小，以至于看作點(diǎn)光源，這使得把它們做的很小，以至于看作點(diǎn)光源，這使得LED極適宜用于光顯示極適宜用于光顯示。量子效率量子效率l量子效率量子效率是發(fā)光二極管特性中一個(gè)與輻射量有關(guān)的是

39、發(fā)光二極管特性中一個(gè)與輻射量有關(guān)的重要參數(shù)。它反映了注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光量子的重要參數(shù)。它反映了注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光量子的概率。概率。l外量子效率外量子效率：單位時(shí)間內(nèi)：單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際輸出實(shí)際輸出二極管外的光二極管外的光子數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。子數(shù)目與注入的載流子數(shù)目之比。l內(nèi)量子效率內(nèi)量子效率：單位時(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體的：單位時(shí)間內(nèi)半導(dǎo)體的輻射復(fù)合輻射復(fù)合產(chǎn)生產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的載流子數(shù)目之比。的光子數(shù)與注入的載流子數(shù)目之比。量子效率量子效率1.注射效率：注射效率： 注射效率就是可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管電注射效率就是可以產(chǎn)生輻射復(fù)合的二極管電流在二極管的總電流中所占的百分比。流在二極管的總電流

40、中所占的百分比。nnprecIrIII量子效率量子效率提高提高注射效率注射效率的途徑是：的途徑是：(a) P區(qū)受主濃度要小于區(qū)受主濃度要小于 N 區(qū)施主濃度區(qū)施主濃度，即，即 pn+ 結(jié)。結(jié)。(b) 減小耗盡層中的復(fù)合電流減小耗盡層中的復(fù)合電流。這就要求。這就要求LED所用的所用的材料和制材料和制 造工藝盡可能保證晶體完整，盡量避免有造工藝盡可能保證晶體完整，盡量避免有害雜質(zhì)的摻入。害雜質(zhì)的摻入。(c) 選用選用電子遷移率比空穴遷移率大的材料電子遷移率比空穴遷移率大的材料。由于。由于III-V 族化合族化合 物半導(dǎo)體的電子遷移率比空穴遷移率大很物半導(dǎo)體的電子遷移率比空穴遷移率大很多，例如多，例

41、如 GaAs ，所以它們是制造，所以它們是制造LED的首選材的首選材料。料。量子效率量子效率 2.輻射效率輻射效率l發(fā)生輻射復(fù)合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)比：發(fā)生輻射復(fù)合的電子數(shù)與總的注入電子數(shù)比： rnrrrnrrrnrrnrrnrnrrrRRRnnnRRRnRnR 111輻射效率：輻射效率：總復(fù)合率：總復(fù)合率：非輻射復(fù)合率：非輻射復(fù)合率：輻射復(fù)合率：輻射復(fù)合率：量子效率量子效率三種可能的復(fù)合過程三種可能的復(fù)合過程三種可能的復(fù)合過程三種可能的復(fù)合過程淺受主能級淺受主能級深復(fù)合中心深復(fù)合中心cEtEtEvEdEaE1R2R3R量子效率量子效率rl根據(jù)以上分析，內(nèi)量子效率可以寫作根據(jù)以上分析，內(nèi)量

42、子效率可以寫作 l3.逸出幾率逸出幾率 逸出幾率逸出幾率 0 也叫做出光效率，被定義為也叫做出光效率，被定義為PN結(jié)輻射結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到晶體外部的百分?jǐn)?shù)。復(fù)合產(chǎn)生的光子射到晶體外部的百分?jǐn)?shù)。 外量子效率可以寫作：外量子效率可以寫作： rir00riel影響逸出幾率的主要因素：再吸收，界面反射和臨影響逸出幾率的主要因素：再吸收，界面反射和臨界角損耗界角損耗 。PLED的的pn結(jié)處的光子發(fā)射圖結(jié)處的光子發(fā)射圖光子可以向任光子可以向任何方向發(fā)射，何方向發(fā)射，且發(fā)射光子能且發(fā)射光子能量量h Eg,因此因此這些光子可以這些光子可以被半導(dǎo)體材料被半導(dǎo)體材料再吸收再吸收l光子從半導(dǎo)體界面發(fā)射到空氣中

43、，在界面發(fā)生反光子從半導(dǎo)體界面發(fā)射到空氣中，在界面發(fā)生反射反射系數(shù)射反射系數(shù)21212)(nnnn例：例：GaAs：n2=3.66,空氣：空氣：n1=1 =0.33GaAs輻射復(fù)合發(fā)出的光子輻射復(fù)合發(fā)出的光子有有33%在界面被反射回在界面被反射回GaAs半半導(dǎo)體里面。導(dǎo)體里面。l光從光密媒質(zhì)射向光疏光從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，入射角大于臨界媒質(zhì)，入射角大于臨界角時(shí)，發(fā)生全反射角時(shí)，發(fā)生全反射第七章：光器件第七章：光器件7.1 7.1 光學(xué)吸收光學(xué)吸收7.2 7.2 太陽能電池太陽能電池7.3 7.3 光電探測器光電探測器7.4 7.4 光致發(fā)光和電致發(fā)光光致發(fā)光和電致發(fā)光7.5 7.5 發(fā)光二極

44、管發(fā)光二極管7.6 7.6 激光二極管激光二極管* * 7.6 激光二極管激光二極管lLED的光子輸出歸因于電子從導(dǎo)帶到價(jià)帶的躍遷放的光子輸出歸因于電子從導(dǎo)帶到價(jià)帶的躍遷放出了能量。光子發(fā)射是自發(fā)的，帶與帶之間的躍遷出了能量。光子發(fā)射是自發(fā)的，帶與帶之間的躍遷是獨(dú)立的。是獨(dú)立的。LED發(fā)射譜的帶譜較寬。發(fā)射譜的帶譜較寬。l激光是受激輻射，產(chǎn)生一致的光譜輸出，其譜寬小激光是受激輻射，產(chǎn)生一致的光譜輸出，其譜寬小于于0.1nm。這種新型的器件就是。這種新型的器件就是激光二極管激光二極管，激光，激光代表代表“輻射的受激發(fā)射引起的光放大輻射的受激發(fā)射引起的光放大”。l半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體

45、是向半導(dǎo)體PNPN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生，產(chǎn)生受激輻射受激輻射，再利用諧振腔的，再利用諧振腔的正反正反饋饋，實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)光放大光放大而產(chǎn)生而產(chǎn)生激光振蕩激光振蕩的。的。光受激輻射、發(fā)出激光必須具備三個(gè)光受激輻射、發(fā)出激光必須具備三個(gè)要素要素：l1 1、激活介質(zhì)激活介質(zhì)經(jīng)受激后能實(shí)現(xiàn)能級之間的躍遷；經(jīng)受激后能實(shí)現(xiàn)能級之間的躍遷；l2 2、能使激活介質(zhì)產(chǎn)生、能使激活介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦裝置；的泵浦裝置；l3 3、放置激活介質(zhì)的、放置激活介質(zhì)的諧振腔諧振腔，提供光反饋并進(jìn)行放，提供光反饋并進(jìn)行放大，發(fā)出激光。大，發(fā)出激光。Figure 7.31

46、7.6.1 受激輻射和分布反轉(zhuǎn)受激輻射和分布反轉(zhuǎn)入射光子被吸收時(shí)，入射光子被吸收時(shí)，一個(gè)電子就從能量為一個(gè)電子就從能量為E1的狀態(tài)激發(fā)到的狀態(tài)激發(fā)到E2；感應(yīng)吸收感應(yīng)吸收自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射若電子自發(fā)地回到若電子自發(fā)地回到低能級，并且伴隨低能級，并且伴隨著放出光子。著放出光子。當(dāng)一個(gè)電子在高能級當(dāng)一個(gè)電子在高能級狀態(tài)時(shí)，入射光子和狀態(tài)時(shí)，入射光子和電子相互作用，使得電子相互作用，使得電子回到低能級。向電子回到低能級。向低能級躍遷會(huì)產(chǎn)生光低能級躍遷會(huì)產(chǎn)生光子。子。光探測器和太陽電池光探測器和太陽電池發(fā)光二極管發(fā)光二極管激光二極管激光二極管電子在低能級電子在低能級E E1 1的基態(tài)和高

47、能級的基態(tài)和高能級E E2 2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷方式的激發(fā)態(tài)之間的躍遷方式l自發(fā)輻射自發(fā)輻射中各電子的躍遷是隨機(jī)的，所產(chǎn)生的中各電子的躍遷是隨機(jī)的，所產(chǎn)生的光子雖然能量相同，但位相和傳播方向各不相光子雖然能量相同，但位相和傳播方向各不相同。同。l受激輻射受激輻射所發(fā)射的光子的全部特征（能量、頻所發(fā)射的光子的全部特征（能量、頻率、位相、方向和偏振狀態(tài)）同入射光子相率、位相、方向和偏振狀態(tài)）同入射光子相同。同。受激吸收受激吸收 hE2E1E2E1 產(chǎn)生激光的必要條件一：受激輻射占主導(dǎo)地位產(chǎn)生激光的必要條件一：受激輻射占主導(dǎo)地位hE2E1E2E1受激輻射受激輻射l當(dāng)注入一定能量的光子時(shí)，能級當(dāng)注入一

48、定能量的光子時(shí)，能級E1和和E2間光間光的吸收和受激輻射同時(shí)存在，且兩者的躍遷概的吸收和受激輻射同時(shí)存在，且兩者的躍遷概率相等。究竟哪一種占主導(dǎo)地位，取決于能級率相等。究竟哪一種占主導(dǎo)地位，取決于能級E1和和E2上的原子分布，如果上的原子分布，如果E2能態(tài)的原子數(shù)能態(tài)的原子數(shù)多，多，受激輻射將大于吸收過程受激輻射將大于吸收過程，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為光量子放大光量子放大。l把處在激發(fā)態(tài)的原子數(shù)大于處于基態(tài)原子數(shù)的把處在激發(fā)態(tài)的原子數(shù)大于處于基態(tài)原子數(shù)的的反常情況叫的反常情況叫分布反轉(zhuǎn)分布反轉(zhuǎn)。 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 價(jià)帶價(jià)帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 價(jià)帶價(jià)帶正常分布正常分布反轉(zhuǎn)分布反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生激光的必要條件二：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生激光的必要條件二：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法l注入載流子半導(dǎo)體激光器注入載流子半導(dǎo)體激光器l強(qiáng)光對激光物質(zhì)進(jìn)行照射固體激光器強(qiáng)光對激光物質(zhì)進(jìn)行照射固體激光器l氣體電離氣體激光器氣體電離氣體激光器l激光二極管為實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，激光二極管為實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，P區(qū)和區(qū)和n區(qū)都必須重區(qū)都必須重?fù)诫s。摻雜。l靠正偏電注入，在結(jié)面附近實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)靠正偏電注入，在結(jié)面附近實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn);l還可以通過電子